史玲瓏,張 莉,王圣瑞,段昌群,李文章,席 銀,李秋才,許可宸

(1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650091；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；4.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650504)

洱海沉積物溶解性有機(jī)氮釋放及環(huán)境影響機(jī)制

史玲瓏1,2,3,4,張 莉2,3,4*,王圣瑞2,3,4,段昌群1,李文章2,3,席 銀2,3,李秋才2,3,許可宸2,3

(1.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650091；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.中國環(huán)境科學(xué)研究院,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；4.云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650504)

通過模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)合紫外與熒光光譜技術(shù),研究了洱海表層沉積物DON釋放特征,并探討其環(huán)境影響因素及環(huán)境學(xué)意義.結(jié)果表明:(1)一級動力學(xué)模型可很好地?cái)M合洱海表層沉積物DON釋放動力學(xué)過程,其最大釋放量在24.387～46.949mg/kg之間,空間分布呈現(xiàn)北部＞南部＞中部;最先釋放(10min內(nèi)達(dá)到最大值)組分主要為類蛋白組分P(I+II,n),而釋放量最大的組分是類腐殖質(zhì)組分P(III+V,n),約占76%;(2)洱海沉積物DON在好氧(DO= 8～10mg/L)和適中pH值(pH=8)的環(huán)境中釋放量相對較小,pH值增加或DO含量降低均會促進(jìn)其釋放.(3)洱海沉積物DON組成特征參數(shù)與其釋放量顯著相關(guān)(r=0.813～0.919,P＜0.01),隨沉積物DON取代基增多,分子量增大,芳香性增強(qiáng),釋放量逐漸增大;類蛋白與類腐殖質(zhì)組分比值P(I+II,n)/P(III+V,n) 也可間接作為衡量沉積物DON釋放量的指標(biāo),即沉積物DON結(jié)構(gòu)組分特征參數(shù)可反映其釋放特征,在一定程度上可用于指示洱海沉積物DON釋放風(fēng)險(xiǎn).

洱海；沉積物；溶解性有機(jī)氮釋放；三維熒光光譜；FRI

溶解性有機(jī)氮(DON)作為沉積物氮最活躍的組分,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的一個(gè)重要儲存庫,直接參與氮的固定、礦化及氨基化等循環(huán)過程[1-2].在一定條件下,淺水湖泊沉積物溶解性有機(jī)氮的釋放通量遠(yuǎn)大于無機(jī)氮[3],是水生態(tài)系統(tǒng)中DON重要來源之一.當(dāng)湖泊外源污染基本被控制后,湖泊沉積物中的氮在一定條件下會逐步釋放出來補(bǔ)充上覆水,仍可使湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化[4-5].研究發(fā)現(xiàn)長江中下游湖泊沉積物NH4+-N和 NO3--N的釋放動力學(xué)曲線不完全一致[6],鄱陽湖沉積物出露時(shí)間的延長將引起單位沉積物 NH4+-N、SRP最大釋放量增大[7].對洱海有機(jī)氮的研究主要集中在上覆水[8],而針對沉積物 DON釋放特征及影響因素方面的研究較少.

近年研究證實(shí)10%～70%的DON可被生物利用,其生物有效性差異一定程度上取決于其結(jié)構(gòu)組分[9-10].紫外-可見吸收光譜技術(shù)能反映DON組分芳香性和分子量等信息并評估結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,三維熒光光譜能夠很好地表征DON的熒光組分[11-12].沉積物釋放是湖泊 DON很重要的一個(gè)來源,因此結(jié)合這兩種光譜技術(shù)了解沉積物DON釋放過程中不同組分的變化規(guī)律,能更好地界定評估 DON釋放動力學(xué)對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響.

洱海是云貴高原第二大淡水湖泊,水質(zhì)總體較好,但富營養(yǎng)化進(jìn)程加劇,逐漸由中營養(yǎng)型湖泊向富營養(yǎng)型湖泊過渡[13].隨著洱海流域城市化進(jìn)程和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,過量營養(yǎng)物質(zhì)蓄積在沉積物中,使其成為污染物的蓄積庫,同時(shí)也改變了沉積物-水界面的微環(huán)境特征,研究結(jié)果表明,沉積物-水界面處pH值、DO和氮動力學(xué)特征是湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[14],蓄積在沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)通過形態(tài)變化、界面特性改變與釋放等途徑嚴(yán)重影響湖泊上覆水.因此,從環(huán)境因子角度對沉積物DON釋放機(jī)理進(jìn)行研究,對揭示沉積物氮釋放風(fēng)險(xiǎn)并提供相應(yīng)防控對策具有重要意義.本研究選取洱海代表性點(diǎn)位表層沉積物,通過模擬實(shí)驗(yàn)研究其 DON釋放動力學(xué)特征,利用紫外可見吸收光譜和三維熒光光譜等技術(shù)表征不同結(jié)構(gòu)組分DON的釋放特性;利用靜態(tài)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探索 pH、DO等環(huán)境因子對沉積物DON釋放的影響,結(jié)合環(huán)境特征,探討影響機(jī)制,旨在為洱海水環(huán)境保護(hù)和治理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及實(shí)驗(yàn)方法

洱海(100°5′E～100°17′E,25°35′N～25°58′N),流域面積251km2,平均深度10.5m.沉積物TN含量 較 高 (1281.85～8046.95mg/kg,平 均 值 為3311mg/kg),且局部湖灣污染較為嚴(yán)重.根據(jù)洱海水下地形和區(qū)域沉積物污染特征,選取不同湖區(qū)代表點(diǎn)位(北部EH21、中部EH105和南部EH142)作為研究對象,具體位置如圖 1所示.本研究于2014年利用彼得森采泥器在洱海外源輸入較少同時(shí)酶活性較低的春季,采集表層(0～10cm)沉積物樣品,放入密封塑料袋中 4℃下保存運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷凍干燥處理.樣品研磨并通過 100目篩,避光保存,用于釋放動力學(xué)實(shí)驗(yàn).對于實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)釋放培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),具體方法參照本團(tuán)隊(duì)其他研究者[14-15].

DON釋放動力學(xué)實(shí)驗(yàn):準(zhǔn)確稱取沉積物樣品10份,每份0.5g,置于100mL聚乙烯離心管中,依次加入50mL 0.02mol/L KCl溶液,放入恒溫振蕩器中振蕩(25℃,200r/min).每隔一定時(shí)間(5、10、20、30、45、60、75、90、120、180min)取出一份樣品,在 5000r/min下離心 15min,然后通過 0.45μm濾膜,濾液用于后續(xù)總氮與氨氮和硝氮的分析.所有實(shí)驗(yàn)均做3個(gè)平行樣品,相對誤差在±5%范圍內(nèi),數(shù)據(jù)結(jié)果取其平均值.

圖1 洱海湖地圖及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Map of Lake Erhai and the location of the sampling sites

1.2 分析方法及表征方法

DON 使用差減法測定[10],為溶解性總氮(TDN)與氨氮(NH4+-N)和硝氮(NO3--N)的差值,亞硝氮(NO2--N)含量很小,可以在 TDN中排除[16].TDN 采用堿性過硫酸鉀氧化法測定, NH4+-N采用納氏試劑光度法測定,NO3--N采用鹽酸-氨基磺酸紫外分光光度法測定[8].樣品DOC含量使用TOC儀分析測定(Shimadzu TOC-5000,Japan). pH值和DO分別使用WPACD7000便攜式現(xiàn)場pH計(jì)和TOA便攜式DO計(jì).此外,使用sigmaplot 10.0擬合動力學(xué)曲線,Matlab 2007處理熒光數(shù)據(jù),SPSS用于不同參數(shù)間的相關(guān)性分析,還有origin8.5和Excel 2010.

紫外可見光譜:DON光譜的全掃描使用1cm石英比色皿,以去離子水為空白,使用分光光度計(jì)測定(Hach DR5000),其掃描的波長范圍為190～900nm.三維熒光光譜:測定使用 Hitachi F-7000型熒光光譜分析儀.激發(fā)和發(fā)射波長狹縫寬度為 5nm,掃描速度:2400nm/min.激發(fā)波長200～440nm,發(fā)射波長 250～600nm.采用熒光光譜區(qū)域體積積分分析法(FRI)對 EEM 光譜進(jìn)行定量分析[17-18],熒光區(qū)域分析一體化技術(shù)能定量分析熒光圖譜,判斷DON的結(jié)構(gòu)形態(tài)特征[19-20].

2 結(jié)果與討論

2.1 洱海表層沉積物DON釋放動力學(xué)特征

3個(gè)點(diǎn)位釋放動力學(xué)曲線有相同趨勢,即快速釋放和緩慢釋放2個(gè)階段(如圖2).這一結(jié)果與王圣瑞等[5]對 EIN(可交換無機(jī)氮)從沉積物釋放的研究相似.實(shí)驗(yàn)開始的前 10min內(nèi),DON釋放量迅速增加,約占整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間釋放量的80%,意味著擾動條件下沉積物釋放主要發(fā)生在0～10min的快速釋放階段;之后緩慢釋放,在120min釋放量達(dá)到最大值,整個(gè)過程趨于平衡.

圖2 洱海表層沉積物中DON釋放的動力學(xué)曲線Fig.2 The release kinetic curve of DON in the surface sediments of Erhai Lake

一級動力學(xué)方程 Qt=Qmax?(1-exp(-k?t))能夠很好地對洱海表層沉積物DON釋放的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(R2平均為 0.848,P＜0.01),擬合參數(shù)見表 1.北部湖區(qū)沉積物DON釋放量(Qmax)最大(33.37～46.95mg/kg),其次是南部(24.08～33mg/kg),中部湖區(qū)釋放量最小(12.13～24.39mg/kg),DON釋放速率常數(shù)(K)也呈現(xiàn)相同趨勢.沉積物最大 DON釋放量與其 DON含量呈顯著正相關(guān)(R2=0.786, P＜0.01),這是因?yàn)殡S著沉積物DON含量的增加,其DON釋放速率常數(shù)K也隨之增加,進(jìn)而導(dǎo)致DON釋放量增加.根據(jù)本團(tuán)隊(duì)研究可知,洱海沉積物DON含量與其總氮含量也呈正相關(guān)關(guān)系[21],從沉積物污染水平來分析不難發(fā)現(xiàn),沉積物總氮和 DON含量越高,其污染程度越嚴(yán)重,隨之其DON釋放量也可能越大.

表1 洱海表層沉積物DON釋放動力學(xué)方程擬合參數(shù)Table 1 The fitting parameters of the first-order kinetic equation of DON release in sediments of Erhai Lake

造成DON釋放量差異的原因與各采樣點(diǎn)特征有關(guān).EH21號采樣點(diǎn)處于羅時(shí)江入湖河口區(qū),較多外源污染使該湖區(qū)沉積物氮磷和有機(jī)質(zhì)含量較高.且該湖區(qū)水生植物生長旺盛,研究表明,湖泊水生植物分布較多且生物量較高的水域,沉積物氮更容易向上覆水釋放[22].EH105樣點(diǎn)位于洱海最深處(約 20m),受人類活動影響最小,且由于湖泊環(huán)流作用,水流較快,不利于陸源污染物累積,使得該區(qū)域沉積物 DON含量較低.此外該湖區(qū)沉積物-水界面氧濃度較低,微生物活動較弱,有機(jī)質(zhì)分解較慢,因此該區(qū)域 DON釋放量最小.EH142采樣點(diǎn)為湖心平臺,2003年前分布豐富的沉水植物,之后由于沉水植物退化,大量殘?bào)w沉積,使該區(qū)域沉積物有機(jī)質(zhì)含量也較高[23],且該湖區(qū)水體較淺,微生物活性較高,有機(jī)質(zhì)分解較快,使得沉積物中 DON釋放量也較大.這進(jìn)一步說明了DON釋放量主要受沉積物DON含量與水生植物分布等影響,對于洱海保護(hù),外源污染較重和水生植物分布較多的水域應(yīng)該重視DON釋放的控制.

2.2 洱海表層沉積物DON不同組分釋放特征

2.2.1 紫外-可見吸收光譜特征 本研究利用紫外光譜參數(shù)表征DON腐殖化程度及分子量空間分布.A253/A203指數(shù)可以反映取代基的含量,該值較高說明芳香環(huán)中含有羥基,羧基,烴基和酯基,較低則說明取代基主要是脂肪鏈[12].如表2所示,隨著釋放時(shí)間的推移,A253/A203指數(shù)逐漸增大,從釋放開始平均值0.069到結(jié)束時(shí)0.090,說明洱海表層沉積物中取代基較少 DON容易釋放,隨之釋放的是取代基較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的DON.北部湖區(qū)A253/A203值為0.162,遠(yuǎn)大于中部(0.034)、南部(0.059),表明北部湖區(qū)芳香取代基種類較多,這可能與該湖區(qū)豐富的水生植物分布有關(guān).研究發(fā)現(xiàn),植物根系和殘?bào)w可以直接促進(jìn)微生物合成分泌更多的酶,促使沉積物中有機(jī)質(zhì)分解,使大分子DON礦化為小分子物質(zhì)[24].

E2/E3是用于衡量DON分子量的指標(biāo),該值與分子量呈負(fù)相關(guān)[25].E2/E3值從釋放開始時(shí)4.992到釋放平衡后4.582,表明小分子DON更容易從沉積物中釋放,這與 Filep等[26]研究一致.研究表明,小分子 DON更有利于微生物的降解和利用[10].因此在風(fēng)浪或生物擾動等情況下,沉積物中小分子量 DON釋放到洱海水體中,可能會造成異養(yǎng)微生物大量繁殖,不利于湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定.

表2 表層沉積物DON釋放過程光譜特征參數(shù)Table 2 Characteristic values of UV-visible and Fluorescence spectra in sediments of Erhai Lake

SUVA254值與DON芳香性呈正相關(guān)[27-28].由表2可知,洱海表層沉積物DON的SUVA254值在0～10、10～120、120～300min釋放階段內(nèi)平均值分別為0.745、0.831和0.867,表明在洱海表層沉積物中腐殖化程度低的DON容易釋放.研究表明,分子量及腐殖化程度較低的有機(jī)物質(zhì)具有較高的分子活性[19,22].沉積物快速釋放的 DON生物有效性較高,容易造成水體富營養(yǎng)化.因此,水深較淺的南部湖區(qū)在風(fēng)浪較大的夏季更應(yīng)該注重DON釋放引起的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn).

2.2.2 三維熒光光譜特征 熒光指數(shù) FI表征DON陸源和生物源的界點(diǎn)為1.4和1.9[29];本研究的FI值在1.712～1.806之間（表2）,表明洱海表層沉積物 DON是外源和內(nèi)源的共同結(jié)果,主要受生物影響.此外,自生源指數(shù) BIX介于 0.6～0.7時(shí),表明主要為陸源輸入[30],本研究 BIX 值變化范圍為 0.762～0.960,表明洱海表層沉積物 DON受入河河流水質(zhì)和人為活動等因素影響較大.這與FI指數(shù)反映的結(jié)果相一致,因此洱海水質(zhì)的控制要注意內(nèi)源釋放,同時(shí)限制外源輸入.

為了更好地了解洱海沉積物DON不同結(jié)構(gòu)組分的釋放特征,還使用了熒光區(qū)域分析一體化技術(shù)(FRI)來定量分析熒光圖譜,得到熒光圖譜 5個(gè)區(qū)域,再計(jì)算各個(gè)熒光區(qū)域積分標(biāo)準(zhǔn)體積占總積分標(biāo)準(zhǔn)體積的比例Pi,n.其中區(qū)域I和II均由簡單芳香類蛋白物質(zhì)產(chǎn)生,故將兩個(gè)區(qū)域歸類P(I+II,n)[31];P(III+V,n)代表腐殖質(zhì)類復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)[32,34],而區(qū)域 IV 代表可溶性微生物代謝產(chǎn)物[33].

如圖3所示,洱海表層沉積物釋放DON中類腐殖質(zhì)組分 P(III+V,n)占絕大部分(平均 76%),其次是可溶性微生物代謝產(chǎn)物P(IV,n)(平均15%),釋放的類蛋白組分P(I+II,n)量最小(平均8%).洱海湖區(qū)森林覆蓋率較高,進(jìn)入湖體的森林徑流較多,加之沉水植物衰敗沉積,是導(dǎo)致DON含類腐殖質(zhì)組分較多的重要原因.其次受周圍污水處理廠尾水排放的影響,引起水中的微生物產(chǎn)生某些特定的蛋白類物質(zhì),致使溶解性代謝產(chǎn)物組分也較大.此外,不同組分釋放規(guī)律也相差較大,其中最先釋放(短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值)的為類蛋白組分P(I+II,n),隨后其組分所占百分比逐步減少,在釋放時(shí)長約為 10min后,該組分基本無明顯變化;類腐殖質(zhì)組分 P(III+V,n)隨后釋放,占比先呈上升趨勢,在30min后逐漸趨于平衡.P(I+II,n)中酪氨酸、色氨酸和蛋白質(zhì)等簡單小分子物質(zhì)具有很強(qiáng)的生物有效性,容易被微生物降解,從而被藻類利用,增大湖泊水華的風(fēng)險(xiǎn).同時(shí)生物在新陳代謝過程中能產(chǎn)生蛋白質(zhì)和氨基酸,能在沉積物中很快礦化分解,增強(qiáng)沉積物生物活性.因此,在控制沉積物DON釋放過程中,首先應(yīng)該關(guān)注類蛋白組分的釋放.

圖3 洱海沉積物DON Pi,n的時(shí)空變化Fig.3 Spatial and temporal variation of Pi,nof DON in the sediments of Erhai Lake

2.3 pH值、DO對洱海沉積物DON釋放的影響機(jī)制

不同pH值和DO條件下洱海沉積物DON靜態(tài)釋放過程如圖4所示.早期實(shí)驗(yàn)(0～4d),DON濃度顯示在有氧/厭氧條件下均顯著增加,歸因于上覆水和間隙水之間的濃度梯度,導(dǎo)致其從沉積物向上覆水釋放.DON釋放量在培養(yǎng)第15d達(dá)到釋放量峰值,此后呈現(xiàn)類似波動的模式.下面討論圍繞第16～40d沉積物DON釋放.

在好氧條件下，洱海沉積物DON釋放量隨pH值上升呈增大趨勢.pH值由6升高至8，DON釋放總量升高了22%,pH值由8升高至10釋放總量升高了12%;在厭氧條件下上覆水pH值由6～10變化,洱海沉積物DON釋放量呈先下降后上升的趨勢,pH值由6升高至8 DON釋放總量降低了12%,pH值由8升高至10釋放總量升高了2%.這表明在好氧或厭氧狀態(tài)下,pH值過高會促進(jìn)沉積物DON的釋放,因?yàn)閴A性條件下,氮的釋放主要以離子交換為主,體系中的 OH-與沉積物膠體中的陰離子相互競爭吸附位置,而使沉積物中氮釋放出來.葉琳琳等[35]研究了環(huán)境因子對瓦填湖沉積物氮釋放的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng) pH＞9時(shí),沉積物中NH4+-N的釋放隨pH值的增加而增加.Zhang等[14]研究發(fā)現(xiàn)洱海沉積物在pH值為10時(shí),在好氧和厭氧條件下 NO3--N釋放的速率高.因此,本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,洱海應(yīng)該保持pH= 8左右.

洱海表層沉積物厭氧培養(yǎng)的 DON釋放量(平均 0.502mg/L)比好氧培養(yǎng)釋放量高(平均0.362mg/L),且培養(yǎng) 16d后釋放強(qiáng)度明顯大于好氧條件,對維持湖泊平衡產(chǎn)生很大的壓力.這是因?yàn)槿苎趿?DO)濃度對沉積物中微生物活性有著極其重要的影響,無機(jī)氮被微生物吸收,同其它形式的有機(jī)氮(如氨基酸等)隨生物死亡而進(jìn)入溶解性有機(jī)氮庫中,沉積物中的溶解性有機(jī)氮又會被微生物礦化轉(zhuǎn)化生成 NH4+-N而釋放出來[36].通常情況下,這種輸入輸出過程保持平衡,但洱海DO明顯降低時(shí),就會打破這種平衡,促進(jìn)沉積物DON向上覆水體釋放,增加上覆水體中營養(yǎng)鹽的負(fù)荷,部分 DON能被微生物或者某些生物種類直接吸收利用,對湖泊藻類氮素供應(yīng)甚至湖泊富養(yǎng)化產(chǎn)生顯著影響.因此,控制洱海上覆水好氧條件(8mg/L＜DO＜10mg/L)可降低富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn).

2.4 洱海表層沉積物DON釋放環(huán)境學(xué)意義

為揭示DON釋放量與不同組分釋放特征關(guān)系,分析了紫外熒光特征參數(shù)及不同熒光組分與洱海表層沉積物DON釋放量的相關(guān)關(guān)系.如表3所示,DON釋放量與A253/A203和SUVA254呈顯著正相關(guān)(r分別為0.916和0.813,P＜0.01),與E2/E3呈顯著負(fù)相關(guān)(r=0.878,P＜0.01),表明沉積物有機(jī)質(zhì)取代基越多,分子量越大,芳香性越大,其 DON釋放量越大.洱海北部受流域養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)面源污染的影響,其沉積物 DON結(jié)構(gòu)組分較復(fù)雜,且該區(qū)域水體交換較快,水體氧含量較高,沉積物中大量有機(jī)質(zhì)礦化分解成溶解性有機(jī)質(zhì),造成該區(qū)域是DON釋放量最高的區(qū)域.因此北部以治理流域內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)污染和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為主;南部受波羅江影響較大,波羅江流域水土流失較嚴(yán)重,沉積物 DON各組分的芳香性和腐殖化程度較高,因此南部湖區(qū)應(yīng)該以波羅江流域的水土保持為主;中部沉積物 DON釋放量最小,但是該區(qū)域水體較深,溶氧量較小,無水生植物分布,生態(tài)系統(tǒng)較脆弱.如果洱海水污染進(jìn)一步加重,pH值進(jìn)一步升高,溶解氧持續(xù)降低,將導(dǎo)致沉積物 DON釋放風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大,可能對洱海水質(zhì)產(chǎn)生更大影響.

圖4 不同上覆水條件下DON的變化Fig.4 DON changes in response to differing overlying water conditions in experimental chambers

洱海沉積物 DON類蛋白與類腐殖質(zhì)含量

比例 P(I+II,n)/P(III+V,n)與 DON釋放量呈極顯著性正相關(guān)(r=0.918,P＜0.01),即洱海沉積物類蛋白與類腐殖質(zhì)含量比例越高,其DON釋放量越大,因此可用 P(I+II,n)/P(III+V,n)值反映沉積物 DON釋放風(fēng)險(xiǎn).同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn) P(I+II,n)/P(III+V,n)與類蛋白、類腐殖質(zhì)、可溶性微生物代謝組分呈顯著相關(guān)性(r=0.997,0.993,0.955,P＜0.01),說明沉積物不同組分與其 DON釋放量密切相關(guān),即P(I+II,n)/P(III+V,n)可間接作為衡量沉積物各組分釋放特征的指標(biāo).

表3 DON釋放量和組分指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 The correlation between DON release and components charateristics in Erhai Lake

3 結(jié)論

3.1 洱海表層沉積物 DON 最大釋放量在24.387～46.949mg/kg之間,空間上呈現(xiàn)北部最高,南部次之,中部最低的分布特點(diǎn).最先釋放(短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值)的主要成分為類蛋白,釋放量最大的組分是類腐殖質(zhì).洱海沉積物 DON釋放特征主要受入湖河流污染和水生植物生長分布的影響.

3.2 厭氧條件和偏高偏低的 pH值會促進(jìn)沉積物 DON的釋放,建議保持湖泊上覆水好氧條件(8mg/L＜DO＜10mg/L),pH=8左右,有利于維持沉積物DON較低的釋放風(fēng)險(xiǎn).

3.3 洱海沉積物 DON結(jié)構(gòu)組分與其釋放量密切相關(guān),可通過紫外光譜參數(shù)和 P(I+II,n)/P(III+V,n)參數(shù)來反映沉積物 DON 的釋放特征,且 P(I+II,n)/ P(III+V,n)可間接作為衡量沉積物DON各組分的釋放指標(biāo).

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Releasing Characteristics of Sediment Dissolved Organic Nitrogen (DON) from Erhai Lake and its environmental impact mechanism.

SHI Ling-long1,2,3,4, ZHANG Li2,3,4*, WANG Sheng-rui2,3,4, DUAN Chang-qun1, LI Wen-zhang2,3, XI Yin2,3, LI Qiu-cai2,3, Xu Ke-chen2,3(1.College of Ecology and Environmental Sciences, Yunnan University, Kunming 650091, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；4.Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake-Watershed, Yunnan Kunming 650504, China). China Environmental Sciences, 2017,37(7)：2715～2722

The release characteristics of DON in the surface sediments of Erhai Lake were studied by simulation experiment combined with UV-Vis absorbance and fluorescence spectroscopy. Moreover, the environmental influence factors and environment implication of sediment DON were also discussed. The obtained results indicated that: (1) The release kinetics of DON in the surface sediment could be well simulated by first-order kinetics equation. The maximal DON release amount from each area followed the pattern: northern ＞ southern ＞ middle, ranging from 24.387 to 46.949mg/kg. Moreover, the first (maximum within 10min) and the largest releasing components were the protein-like component P (I+II,n) and humic-like component P(III+V,n) (accounting for approximately 76%) respectively. (2) The DON release amount in sediments of Erhai Lake is relatively small under the overlying water conditions of aerobic (DO = 8～10mg/L) and moderate pH (pH = 8), and the obvious increase/decrease of pH/DO was considered to promote its releasing amount. (3) The compositional parameters of DON in Erhai sediments was positively correlated with its releasing amount (r=0.813～0.919, P＜0.01). The more the substituent DON was contained in the sediment, the greater the molecular weight and aromaticity degree were, and the greater its release amount was. Moreover, the content ratio ofprotein-like to humic-like substances P(I+II,n)/P(III+V,n) can also be taken as the indirect indicator of the release amount of sediment DON. The compositional characteristic of sediment DON can reflect its releasing characteristics, that is, the DON release risk of from Erhai sediments can be reflected to some extent.

Erhai；sediments；DON releasing；EMMs；FRI

X524

A

1000-6923(2017)07-2715-08

史玲瓏(1992-),女,云南大理人,云南大學(xué)碩士研究生,主要從事水環(huán)境科學(xué)研究.

2016-12-08

國家自然科學(xué)基金(U1202235,41503113);國家水專項(xiàng)“十二五”課題“洱海湖泊生境改善關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”(2012ZX07105-004);環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目(2014-GOT-042-N-06)

* 責(zé)任作者, 副研究員, zhangli19821115a@163.com